Введение
Размыкатель цепи защищает чувствительную нагрузку от протекания чрезмерного тока, отключая источник питания, когда ток достигает заданного уровня. Простейшим размыкателем цепи является плавкий предохранитель, но сгоревшие предохранители требуют физической замены. Электронный размыкатель цепи обеспечивает ту же степень защиты цепи, что и плавкий предохранитель, но без проблем одноразового использования. Тем не менее, электронный размыкатель цепи с фиксированным порогом тока отключения, хотя и эффективный как средство защиты, может стать источником неприятностей, если будет отключаться из-за кратковременных бросков тока, даже если он имеет функцию самовосстановления.
Один из способов минимизации нежелательных срабатываний заключается в использовании имитации медленно перегорающего (тугоплавкого) предохранителя, что в течение коротких промежутков времени обеспечивает прохождение токов относительно высоких уровней без срабатывания размыкателя. В идеале, порог срабатывания размыкателя должен быть функцией общей проходящей энергии, а не только тока. В этой статье описывается электронный размыкатель цепи, сочетающий измерение тока с временной задержкой. Такой размыкатель защищает чувствительные цепи и, в то же время, минимизирует нежелательные срабатывания.
Более высокие токи для более коротких интервалов времени
Схема на Рисунке 1 состоит из трех отдельных частей: размыкателя цепи, измерителя тока и таймера.
 |
||
| Рисунок 1. | Размыкатель цепи срабатывает после временнóго интервала, длительность которого зависит от измеренного тока нагрузки. |
|
Функция разрыва цепи может выполняться любыми типами реле с электронным управлением или твердотельных переключателей, правильно подобранными для соответствия номинальному току и напряжению защищаемой нагрузки.
Измерение тока выполняется токоизмерительным усилителем LT6108-2 со встроенным компаратором. LT6108-2 преобразует падение напряжения на измерительном резисторе, имеющем небольшое сопротивление, в привязанное к земле выходное напряжение, прямо пропорциональное току нагрузки. Порог срабатывания задается путем масштабирования выходного напряжения через резистивный делитель и подачи результата на встроенный компаратор с прецизионным опорным напряжением 400 мВ. Когда ток нагрузки превышает порог, состояние компаратора изменяется.
Для предотвращения нежелательных отключений из-за кратковременных выбросов между выходом компаратора и размыкателем цепи добавлен таймер задержки LTC6994-2 семейства Timerblox. При срабатывании компаратора спадающий фронт его выходного сигнала запускает таймер, формирующий временную задержку переменной длительности, который, если разрешено завершение, дает команду на срабатывание размыкателя. Если длительность переходного процесса меньше задержки, в схеме ничего не происходит.
Управляемое током время задержки
LTC6994-2 формирует задержку относительно фронта импульса, приходящего на вывод IN, длительностью от 1 мкс до 33 с. Время задержки управляется током, вытекающим из вывода SET, который программирует частоту внутреннего генератора, в то время как напряжения смещения на выводе DIV используется для выбора коэффициента деления частоты.
На вход операционного усилителя LT1783 подается выходное напряжение токоизмерительного усилителя, которое регулирует ток на выводе SET, тем самым, делая время задержки функцией тока нагрузки (см. Рисунок 2). Как показано на схеме, пороговое напряжение переключения токоизмерительного компаратора соответствует току 500 мА. Ток 500 мА инициирует спадающий фронт и запускает временную задержку 350 мс. Если ток нагрузки упадает ниже 500 мА до истечения времени задержки, уровень сигнала на выходе таймера остается высоким, и размыкатель цепи не сработает.
 |
||
| Рисунок 2. | Слаботочные помехи должны длиться относительно дольше, чтобы разорвать цепь. При более высоких токах размыкатель срабатывает быстрее. |
|
Более высоким токам нагрузки соответствуют более высокие выходные напряжения токоизмерительного усилителя, что, в свою очередь, уменьшает интервал задержки (Рисунок 2). Например, ток нагрузки 5 А включит размыкатель всего через 60 мс. В зависимости от того, на сколько средний ток нагрузки превышает пороговое значение 500 мА, интервал задержки или время срабатывания будут находиться где-то между 30 мс и 400 мс.
Когда размыкатель срабатывает, ток нагрузки падает до нуля. В результате токоизмерительный компаратор сбрасывается, и его выходное напряжение переключается на высокий уровень. Этот нарастающий фронт также задерживается микросхемой LTC6994-2. Минимальное значение выходного напряжения датчика тока растягивает эту задержку до максимального времени порядка 1.3 с. После задержки размыкатель цепи восстанавливается и возобновляет питание нагрузки. Эта функция автоматического восстановления не требует дополнительных компонентов.
 |
||
| Рисунок 3. | Пример последовательности размыкания и восстановления цепи. В момент времени A скачок тока нагрузки переключает компаратор, и спустя 60 мс размыкатель срабатывает. В момент времени B после задержки 1.3 с таймер замыкает размыкатель. Результирующий кратковременный бросок пускового тока недостаточно велик по амплитуде или недостаточно продолжителен для повторного размыкания цепи. |
|
Отклик схемы на 5-амперный всплеск тока и автоматическое восстановление иллюстрируются Рисунком 3. Если ток нагрузки остается слишком высоким, цикл размыкания/восстановления повторяется непрерывно. Скачки тока довольно типичны при первоначально замкнутом размыкателе и могут привести к переключению компаратора. Если их длительность меньше времени задержки таймера, размыкатель остается замкнутым, не допуская возникновения бесконечного цикла самопроизвольных отключений.
Увеличение времени задержки повторного включения
Делитель частоты таймера задержки LTC6994-2 имеет восемь значений коэффициента пересчета. Подключение одного дополнительного резистора ROPT, показанного на Рисунке 1, задает новый коэффициент пересчета делителя блока задержки, увеличивая, если это необходимо, интервал до выполнения повторной попытки. Это может дать больше времени для восстановления нормального режима работы. На скорость реакции размыкателя это не влияет.
Когда при срабатывании размыкателя ток падает до нуля, высокий уровень на выходе компаратора смещает напряжение на выводе DIV вверх, увеличивая время задержки восстановления до значения, которое при указанных на схеме номиналах компонентов равно 10 с.
Заключение
Представленную здесь схему можно легко модифицировать в соответствии с различными требованиями к временным задержкам, изменив сопротивления нескольких резисторов. Для контроля двунаправленных токов нагрузки с функцией управления временем срабатывания размыкателя могут быть использованы и другие токоизмерительные устройства, такие, например, как LT1999.
